CN206696536U - 一种紫外激光连续变倍扩束镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种紫外激光连续变倍扩束镜，从激光入射方向开始，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为凹面朝向出射端的弯月正透镜，第二透镜为双凹的负透镜，第三透镜双凹负透镜，第四透镜为双凸正透镜。与现有技术相比，本实用新型排布成“+﹣﹣+”的光焦度分布，使扩束镜能实现扩束倍率为β＝2～10，不同倍率下的入瞳直径为φ入＝2.2mm～6mm，各倍率下扩束镜的像差良好的校正，各倍率下的波像差均小于λ/10，而且结构紧凑，镜片加工容易，造价低廉。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种紫外激光连续变倍扩束镜。
背景技术
激光具有极好的单色性、相干性以及方向性，并且具有极高的亮度。因此，激光已经广泛地应用于国民经济的多个领域。激光器发出的光束直径一般都较小，但在很多的激光应用场景中，往往需要光束直径较大的激光光束，例如：在激光加工系统中，为了提高工作效率，获得较大的激光照度，则需要在聚焦镜头前得到较大光束直径的入射激光光束；在激光照明系统和全息成像系统中，需要较大光束直径和较小发散角的激光光源作为系统光源。因此，多数的激光应用系统中都会配备扩束镜，尤其是倍率可调的扩束镜，用来扩展激光束的直径，改善激光束的发散角。
激光扩束镜分为固定倍率扩束镜和变倍扩束镜两种，其中变倍扩束镜可以对输出光束的直径进行调节，从而适应更多的应用环境。
专利CN 102004319 A公开了一种紫外激光变倍扩束镜，当激光光束的最大入射直径为φ＝1mm，可用的放大倍率为4-10倍。该专利中描述的变倍激光扩束镜，有以下不足：1)可变的扩束倍率范围较小，仅为4-10倍；2)输入的激光光斑直径也比较小，φmax最大仅为1mm，应用场景受到限制。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种紫外激光变倍扩束镜。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种紫外激光连续变倍扩束镜，从激光入射方向开始，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为凹面朝向出射端的弯月正透镜，第二透镜为双凹的负透镜，第三透镜双凹负透镜，第四透镜为双凸正透镜。与现有技术相比，本实用新型排布成“+ ﹣ ﹣ +”的光焦度分布。
第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距满足：20mm＜f1＜60mm，-20mm＜f2＜-2mm，100mm＜f34＜220mm，优选地，f1＝41.2mm，f2＝-9.13mm，f34＝156.17mm，其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f34为第三透镜和第四透镜的合焦距。
第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为16.2mm和89.4mm，第一透镜的中心厚度为2.4mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第二透镜的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-9mm和9mm，第二透镜的中心厚度为2mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第三透镜的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为-324.8mm和91mm，第三透镜的中心厚度为4.2mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第四透镜的两个球面S7和S8，其曲率半径分别为178.65mm和-47.86mm，第四透镜的中心厚度为6mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68。
第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的范围是：4mm＜d2＜28mm；优先地，5.4mm≤d2≤24.6mm，第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的范围是：100＜d4＜140mm，优先地，112.3mm≤d4≤126.3mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙为3.5mm。
所述的扩束镜的入射光束波长为355nm。
所述的扩束镜的倍率范围为β＝2～10。
所述的扩束镜在各倍率下的波像差<λ/10。
所述的扩束镜在不同倍率的入瞳直径范围为φ入＝2.2mm～6mm。
本实用新型排布成“+ ﹣ ﹣ +”的光焦度分布，本实用新型扩束镜的工作波长为355nm，扩束镜的倍率范围为β＝2×～10×，不同倍率下的入瞳直径为φ入＝2.2mm～6mm，各倍率下扩束镜的像差良好的校正，各倍率下的波像差均小于λ/10。
与现有技术相比，本实用新型扩束镜具有变倍范围大、像差小、入瞳直径大的特点，可以对输入激光光束做更多的调制，使加工设备能最大限度的满足加工要求，而且本实用新型结构紧凑，镜片加工容易，造价低廉。
附图说明
图1是本实用新型的紫外激光变倍扩束镜的光学系统结构示意图。
图2是本实用新型的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的弥散斑图。
图3是本实用新型的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的能量集中度图。
图4是本实用新型的紫外激光变倍扩束镜一较佳实施例中的光学传递函数图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例
激光加工过程中，通常要求激光在聚焦点的能量非常集中，保证激光加工过程聚焦点的能量密度，使得激光加工设备可以高效率地工作。根据衍射极限理论：激光的发散角θ与光腰直径d0的乘积为常数。从激光器输出的激光光束直径一般都比较小，在通过一定焦距的光学会聚系统聚焦前，要求扩大光束直径以减小发散角θ，同时获得较大的入射光束直径。假设在激光器与焦距为f的光学会聚系统中加入一个激光扩束系统，根据要求选用适当的扩束倍数β，使得激光光束扩大到直径为D＝β·d0，此时激光的发散角θ入仍满足衍射极限理论关系式：θ入·D＝θ·d0＝4λ/π，所以，θ入＝θ/β＝4λ/πD。这样，理想的会聚激光光斑δ＝θ入·f＝4λf/πD。所以，通过选用合适的倍率β获得合适的D值，便可得到理想的聚焦光斑δ，以提高工作焦点处的能量密度。
为适应不同激光器光束直径和发散角整形的需要，本实施例提供一种可以连续变化扩束镜倍率的紫外激光变倍扩束镜。这样使用起来适应性强，更容易满足光束整形的要求，选择了最常用的激光束的直径和倍率作为设计起点，当激光光束的入射直径为φ入＝2.2mm～6mm时，该扩束镜的倍率变化范围为2×～10×。
参照图1，本实施例提供一种紫外激光变倍扩束镜，其包括沿入射光传输方向设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4。其中第一透镜L1为凹面朝向出射端的弯月正透镜，第二透镜L2为双凹负透镜，第三透镜L3为双凹负透镜，第四透镜L4为双凸正透镜。
第一透镜L1包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料表述为为Nd1(折射率)：Vd1(阿贝数)；第二透镜L2包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，其材料表述为Nd3(折射率)：Vd3(阿贝数)；第三透镜L3包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，其材料表述为Nd5(折射率)：Vd5(阿贝数)；第四透镜L4包括曲率半径分别为R7、R8的两个曲面S7、S8，其光轴上的中心厚度d7，其材料表述为Nd7(折射率)：Vd7(阿贝数)。
第一透L1与第二透镜L2在光轴上的间距为d2，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距为d4，第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的间距为d6。
本实施例的紫外激光变倍扩束镜的具体数据参数如表1所示，其中：
φ入＝2.2mm～6mm，β＝2×～10×，λ＝355nm，φ入为本实施例的紫外激光变倍扩束镜所允许的入射光束直径范围，β为扩束倍数，λ为输入光束的波长。
表1紫外激光变倍扩束镜具体参数
| 曲面 | 曲率半径R(mm) | 轴上间隙d(mm) | 材料Nd:Vd |
| S1 | 16.2 | d1＝2.4 | 1.46:68 |
| S2 | 89.4 | d2可调 | |
| S3 | -9 | d3＝2 | 1.46:68 |
| S4 | 9 | d4可调 | |
| S5 | -324.8 | d5＝4.2 | 1.46:68 |
| S6 | 91 | d6＝3.5 | |
| S7 | 178.65 | d7＝6 | 1.46:68 |
| S8 | -47.86 |
d2和d4是可调的。通过调节d2与d4，可使扩束镜产生不同的扩束倍数，其对应关系举例如表2所示：
表2 d2与d4的关系对应的扩束镜产生的扩束倍数
| d2(mm) | d4(mm) | β |
| 24.6 | 112.3 | 2 |
| 19.8 | 121.2 | 4 |
| 15 | 124.1 | 6 |
| 10.2 | 125.4 | 8 |
| 5.4 | 126.3 | 10 |
本实施例的紫外激光变倍扩束镜的弥散斑图如图2所示，从图中可以明显的看出，当入射光束在0°-0.055°入射角度的情况下，其出射光束的光束质量都在衍射极限内。能量集中度图如图3所示，从图中可以明显看出，当入射光束在0°～0.055°入射角度的情况下，其出射光束的光束质量所能形成的弥散斑半径都在0.015微米内。光学传递函数图如图4所示，从图中可以明显看出，当入射光束在0°～0.055°入射角度的情况下，其出射的光束的光学传递函数都达到了衍射极限。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，从激光入射方向开始，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为凹面朝向出射端的弯月正透镜，第二透镜为双凹的负透镜，第三透镜双凹负透镜，第四透镜为双凸正透镜。
2.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距满足：20mm＜f1＜60mm，-20mm＜f2＜-2mm，100mm＜f34＜220mm，其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f34为第三透镜和第四透镜的合焦距。
3.根据权利要求2所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距满足：f1＝41.2mm，f2＝-9.13mm，f34＝156.17mm，其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f34为第三透镜和第四透镜的合焦距。
4.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为16.2mm和89.4mm，第一透镜的中心厚度为2.4mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第二透镜的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-9mm和9mm，第二透镜的中心厚度为2mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第三透镜的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为-324.8mm和91mm，第三透镜的中心厚度为4.2mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第四透镜的两个球面S7和S8，其曲率半径分别为178.65mm和-47.86mm，第四透镜的中心厚度为6mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68。
5.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的范围是：4mm＜d2＜28mm；第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的范围是：100＜d4＜140mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙为3.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，d2的范围是：5.4mm≤d2≤24.6mm，第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，d4的范围是：112.3mm≤d4≤126.3mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙为3.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的扩束镜的入射光束波长为355nm。
8.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的扩束镜的倍率范围为β＝2～10。
9.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的扩束镜在各倍率下的波像差<λ/10。
10.根据权利要求1所述的一种紫外激光连续变倍扩束镜，其特征在于，所述的扩束镜在不同倍率的入瞳直径范围为φ入＝2.2mm～6mm。
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| CN201720383870.0U CN206696536U (zh) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | 一种紫外激光连续变倍扩束镜 |
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